不同水系统阻隔热辐射研究进展

刘 琦，周 亮

(武警学院 a.研究生队;b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

不同水系统阻隔热辐射研究进展

刘 琦a，周 亮b

(武警学院 a.研究生队;b.消防工程系，河北 廊坊 065000)

介绍了水喷淋、水幕、水喷雾、细水雾四种不同水系统阻隔热辐射的研究进展。其中，水喷淋对于热辐射的阻隔效率最低，仅有5%～20%；水幕系统阻隔热辐射效率一般在50%左右；而水喷雾与细水雾阻隔热辐射的效率较高，可以达到70%～80%。液滴粒径与液滴的体积浓度是决定热辐射阻隔效率的决定因素。

水系统；热辐射；阻隔效率；液滴粒径；体积浓度

《蒙特利尔议定书》的签订，标志着给环境带来重大危害的哈龙灭火剂逐步退出历史舞台。水作为一种清洁且易得的灭火剂，广泛应用于灭火作战与防火工程中，并且衍生出水喷淋、水幕、水喷雾、细水雾等多种灭火技术。这些技术大部分直接作用于火焰上来灭火；另一种用途是用于防火分隔，类似于防火墙与防火卷帘，用于保护储油罐等敏感区域。其原理就是阻隔火焰热辐射的传递。不同水系统需要不同种类的喷头，喷头的种类对于热辐射阻隔作用影响较大。不同的喷头喷洒出的液滴在粒径、流速上存在较大差别，并且液滴形成的雾层厚度、液滴的垂直分布也不同。之前的研究者研究了水喷淋、水幕、水喷雾、细水雾等对于火焰热辐射的阻隔作用。这些研究丰富了水系统的应用范围，为研究新型的防火分隔喷头提供了理论基础。本文重点介绍前人对不同水系统阻隔热辐射的研究进展。

1 水喷淋系统阻隔热辐射研究

Kiyoto Usui和Ken Matsuyama[1]研究了水喷淋对火焰热辐射的阻隔效果。他们使用了K30、K50、K80A、K80B、K80C喷头(见表1)，水喷淋出水压力为0.1 MPa；考虑了烟气对阻隔热辐射的影响，因而使用了正庚烷、乙醇两种产烟量不同的燃料；并且考虑了火源在室内与室外的两种情况。总体来说，水喷淋阻隔热辐射的效率大概在5%～20%(详见表2)。当使用乙醇这种发烟量较小的燃料时，火源在室内与室外对热辐射的阻隔效率没有差别；当使用正庚烷发烟量较大的燃料时，由于烟气的作用，火源在室外的热辐射阻隔效率要好于火源在室内。

表1 不同水喷淋喷头的参数

表2 不同水喷淋喷头阻隔热辐射效率

此外，他们还验证了Mie散射理论的准确性。根据Mie散射理论(见图1)，如果水滴粒径远远大于辐射波长，Mie散射集中于前向散射，即主要沿入射方向发生散射，其余热辐射被吸收。波长大于2.7 μm的辐射波，90%以上被水滴吸收；而波长小于2.7 μm的辐射波，随着水滴粒径的增加，吸收率也随之增大。试验结果与Mie散射理论的计算结果基本一致，证明通过Mie散射理论来计算热辐射吸收率是可行的。

图1 Mie散射理论示意图

2 水幕系统阻隔热辐射研究

魏东、葛晓霞[2-4]等研究了消防水幕系统的隔热效率。他们认为，消防水幕阻火隔热的原理主要归结为：(1)水幕系统产生的水滴对热辐射具有吸收作用，水滴吸热后发生气态蒸发；(2)水幕系统产生的水滴对热辐射具有散射作用，其中包括水滴对热辐射的反射作用、水滴对热辐射的折射作用以及水滴对热辐射的漫反射作用，多种物理现象的联合作用使得热辐射偏离原来的方向，达到热辐射衰减的效果；(3)水幕系统与周围空气发生轻微的对流换热作用，水幕内部的水滴具有轻微的热传导作用。前两种作用为水幕系统阻隔热辐射的主要原理，起着决定性作用。

他们使用了ZSTMX-8、ZSTMS-10、ZSTMX-12喷头，其中ZSTMX-8的流量特性系数K=28，ZSTMS-10的流量特性系数K=50.3，ZSTMX-12的流量特性系数K=52。使用了1.5m×1m的油盘作为火源，试验过程中汽油的燃烧速度为2mm·min-1，火源的功率约为1.6MW。通过试验发现，消防水幕具有较高的阻隔热辐射效率，平均在50%左右。随着系统总流量的增加，水幕的隔热效率提高；系统总流量一定时，流量特性系数小的喷头，隔热效率较高；增加水幕系统的高度，水幕系统的隔热效率降低；喷头间距一定时，喷头双排布置比单排布置隔热效率高；喷头总数一定时，密集布置的隔热效率较高；水幕宽度的增加对其隔热效率的提高影响不大。他们还对水幕阻隔热辐射进行了理论推导，建立了热辐射衰减模型(见图2)，假设温度为T1的火焰表面A1通过热辐射衰减介质水向另一温度为T2的表面A2传递热量Q12：

式中，E为辐射热衰减系数，对自然分散的球型水滴粒子分布，有E=Kπr2N；L为水幕喷洒厚度；K为水幕对辐射热的衰减因子；N为1m3体积内水滴粒子的数量；r为水滴粒子的半径。

图2 热辐射衰减模型

水幕的荷载强度W为单位体积空间内水的质量(g·m-3)：

所以，得到水幕的热辐射透射率为：

水幕对于辐射的衰减因子K可以通过Mie散射理论推导得到，其过程可参考A.Coppalle[5]和T.S.Ravigururajan[6]等人提出的近似方法计算。

水幕系统的热辐射阻隔率为：

3 水喷雾系统阻隔热辐射研究

S.Dembele与J.X.Wen等人[7]研究了水喷雾阻隔热辐射的效果。他们使用了TG03与TG05两种水喷雾喷头，喷头压力可在1～7bar之间调节。他们使用了FTS60A型傅里叶红外分光光度仪作为辐射源，可以产生波长为1.5～12μm的辐射波，辐射光谱近似于1 300 ℃的黑体辐射炉。考虑了4种变量：(1)喷头压力或喷头流量；(2)喷头下的垂直距离；(3)测量的角度(沿入射方向测量或其他方向)；(4)分光光度仪的分辨率。测量了两种喷头下200mm沿入射方向的热辐射穿透率，如表3所示。

可以看出，随着喷头压力增大(或者流量增大)，热辐射透射率减小，也就是热辐射阻隔率增大。这是由于喷头压力增大，水喷雾的水滴粒径减小，水滴粒子的浓度增大。他们推导了公式(5)：

表3 喷头下200 mm的热辐射穿透率

式中，Kext为热辐射衰减系数；Qext为Mie散射理论推导出的热辐射衰减系数；C为水滴粒子浓度；ρ为水密度；d为水滴粒径。

根据(5)式，可以得出随着水滴粒径减小，水滴粒子浓度增大，热辐射衰减系数增大，热辐射阻隔率增大。分别测量喷头下方200、300、350mm的热辐射穿透率，发现其穿透率差别不超过2%，所以得到喷头下方不同垂直距离对热辐射阻隔率无影响。笔者对于这点结论存疑，因为喷头下方不同距离的水滴粒径、水滴速度、水滴粒子密度会存在较大区别，改变成喷雾量较大的喷头，多测量喷头下方几个不同的垂直距离，会得到不同的结论，下文中也会有所涉及。另外，随着喷头压力增大，水滴粒径减小，水滴对热辐射的散射作用增强，其散射主要发生在1.5°～3.5°。

他们还研究了不同喷头的布置方式对热辐射阻隔的影响，测量了2层TG03喷头、3层TG03喷头以及两种喷头混合使用下的热辐射穿透率。具体的测量数据如表4和表5所示。

表4 2层、3层TG03喷头热辐射穿透率

表5 TG05-TG03-TG05混合使用下的热辐射穿透率

他们发现，多层布置喷头并没有取得理想的热辐射阻隔效果，这是由于喷头布置的间距过小，邻近的喷雾相互作用，使得液滴的粒径增大，液滴出现合并作用，所以没有出现预期的热辐射阻隔效果。在相同流量的情况下，TG03的液滴粒径小于TG05，因而TG03比TG05的热辐射阻隔效果更好。他们采用了TG03、TG05两种喷头的混合使用，使用液滴粒径较大的TG05在外侧，来阻挡外界风的作用；使用液滴粒径较小的TG03在内侧，起到了更好的热辐射阻隔效果。

J.M.Buchlin[8]研究了水喷雾水幕阻隔热辐射。他分别研究了垂直喷射与撞击喷射两种喷射形式(见图3)，撞击喷射是将水喷雾水平喷洒到墙体上冷却，起到防止热辐射传递的目的。

图3 垂直喷射、撞击喷射示意图

在小尺寸试验中，使用了VKI水喷雾设备，喷头出口尺寸为0.51mm，喷头压力可在200～700kPa之间调节，索态尔平均直径为50～200μm，液滴流速为3～15m·s-1。使用了丙烷燃烧器，模拟温度为1 000K、热释放速率为14kW·m-2的火源。在全尺寸试验中，使用了25m长、2m宽的液化天然气燃烧池，使用两层水喷雾喷头。在垂直喷射下，得到了热辐射阻隔系数A的计算式为：

其还测量了不同高度的水喷雾热辐射阻隔率，具体结果如图4所示。

图4 热辐射阻隔率垂直分布

在水喷雾水幕的上部，液滴粒径较小，由于气体的卷吸作用，造成水滴下降的速度减小，导致水滴的浓度增加，形成了(Ⅰ)气体卷吸区，热辐射阻隔率逐渐增大。然后，水喷雾充分发展，液滴的粒径与下降速度都趋于稳定，形成(Ⅱ)中间区，热辐射阻隔率变化也不大。最后，液滴蒸发逐渐增强，导致液滴的密度降低，形成了(Ⅲ)液滴蒸发区，热辐射阻隔率也逐渐降低。

同时，J.M.Buchlin也研究了影响热辐射阻隔率的因素。他发现，增大水喷雾系统的压力，可以减小液滴粒子的粒径、增大液滴粒子的浓度、加大液滴粒子与热辐射的接触面积，所以会显著提高其热辐射阻隔效率。同样，增加水喷雾喷头的数量也可以提高热辐射阻隔率。对于提高水喷雾的热辐射阻隔效率，较高系统压力下合适的喷头数量比低压系统下增加喷头数量更有效。当喷头之间的间距小于其布水半径的一半时，相邻水喷雾会出现损害效应，使液滴粒径变小、液滴下降速度增加，从而导致较低的液滴浓度，降低了热辐射阻隔效率。总体来说，垂直喷射水喷雾水幕的热辐射阻隔效率为70%左右。

S.Hostikka和K.McGrattan[9]根据三种不同的水喷雾喷头，提出了阻隔热辐射的数值模型，并用试验进行了验证。他们发现，在水滴之间相互作用可忽略的前提下，水雾阻隔火焰热辐射的因素取决于水滴体积密度与水滴粒径。他们对辐射阻隔的计算方法与水滴蒸发、散射的算法已经编入FDS。

4 细水雾系统阻隔热辐射研究

ChungKee-Chiang、SiaoJing-Lun[10]等人对细水雾系统阻隔热辐射的效果进行了研究，主要研究了液滴粒径和喷头安装高度对热辐射阻隔的影响。使用了甲醇作为燃料，分别在0.85m×0.6m的方形燃烧盘中添加3、5L。为达到在相同流速下，获得不同液滴粒径的目的，他们安装了射流喷嘴与涡流室。定义了射流喷嘴与涡流室之间的横截面积为Ar，Ar越大，喷嘴喷出的液滴下降速度越快，粒径越大。激光散射粒径分析仪用来测量液滴的粒径，Mie散射激光粒径测量仪用来测量液滴的分布。

为研究液滴粒径的影响，首先，他们将喷头安装在2.7m的高度上，燃烧甲醇3L，其最大的热辐射可以达到12.4kW·m-2。分别测量了不施加细水雾情况下、施加水喷淋情况下(水喷淋DV0.9大于1 000μm)以及施加DV0.9分别为100、200、300、400μm细水雾下的热辐射。不同粒径细水雾下的热辐射随时间的变化见图5。

图5 不同粒径细水雾下的热辐射

可以看出，水喷淋对于热辐射的阻隔效果很不理想，而细水雾对于热辐射的阻隔效果较好，且随着细水雾液滴粒径的减小，热辐射阻隔效果变好。喷头安装在2.7m的高度上，燃烧甲醇3L，不同细水雾粒径的热辐射阻隔率随时间的变化见图6。

图6 不同粒径细水雾热辐射阻隔率

他们列出了燃烧3、5L甲醇，不同粒径细水雾在不同时间的热辐射阻隔率，具体见表6。发现虽然燃烧5L甲醇的热释放速率比3L甲醇高出38%，但是对于细水雾的热辐射阻隔率影响不大。

表6 不同试验工况下热辐射阻隔率

另外，他们还改变了喷头高度，对其热辐射阻隔效率的影响进行了研究。但是，由于条件限制，他们只研究了2.1与2.7m两个高度下的热辐射阻隔效率。通过试验发现，喷头高度设置在2.1m以下热辐射阻隔效果更好，对于DV0.9为400μm的细水雾，两个高度下热辐射阻隔效率相差约为31%，对于DV0.9为200μm的细水雾，两个高度下热辐射阻隔效率相差约为13%。

丛北华[11]等进行了细水雾阻隔火焰热辐射的研究，他们根据Mie散射理论，建立了细水雾阻隔热辐射的两通量模型，给出了简化算法，并建立了细水雾阻隔火焰热辐射的试验系统，对两通量模型进行了验证。通过试验，他们发现，细水雾的阻隔效率随雾场厚度的变化是非线性的，雾场厚度增加，热辐射阻隔效率提高，但提高幅度逐渐减小。细水雾对热辐射阻隔衰减作用主要集中在火焰短波谱区的近红外段。并且随着火焰温度的升高，细水雾阻隔热辐射效率增加。

5 总结与展望

水喷淋、水幕、水喷雾、细水雾对于热辐射阻隔都有一定的效果。但是，相对来说，水喷淋阻隔热辐射的效果较差，仅能阻隔5%～20%的热辐射。水幕阻隔辐射热有一定的效果，可以达到50%左右。而水喷雾、细水雾对于热辐射的阻隔效果较好，能达到70%左右。研究表明，水滴粒径越小，体积浓度越大，对于热辐射的阻隔效果越好。并且也研究了水雾的垂直分布对于热辐射阻隔效果的影响。Mie散射理论可以广泛应用于各种水系统阻隔热辐射的理论模型建立，其可靠性已经得到了试验验证。

细水雾阻隔热辐射的效果较为理想，但针对这方面的相关研究较少，尤其针对高压细水雾系统研究更是欠缺。笔者建议开展系统的高压细水雾阻隔热辐射研究，并且研究风等环境因素对阻隔热辐射的影响。根据Mie散射理论，建立针对高压细水雾雾层形状的热辐射阻隔模型。

[1]KiyotoUsui,KenMatsuyama.Anexperimentalstudyonattenuationofradiantheatfluxfromflamethroughwaterdroplets[C].FireSafetyScience-draftProceedingsofTheEleventhInternationalSymposium,2014:1196-1207.

[2] 魏东,梁强.消防水幕衰减火灾热辐射的理论研究[J].中国安全科学学报,2008,18(10):75-81.

[3] 葛晓霞,靳红雨,王道成,等.消防水幕衰减火灾热辐射的实验研究[J].火灾科学,2007,16(2):72-80.

[4] 魏东,葛晓霞,靳红雨,等.消防水幕阻火隔热效果的理论与实验研究[J].热科学与技术,2009,8(2):164-170.

[5]COPPALLEA,NEDELKAD,BAUERB.Fireprotection:watercurtains[J].FireSafetyJournal,1993(20):241-255.

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[11] 丛北华,蔡志刚,陈吕义,等.细水雾阻隔火焰热辐射的模拟研究[J].中国安全科学学报,2005,15(12): 69-73.

(责任编辑 马 龙)

Research Progress in Heat Radiation Attenuation of Different Water Systems

LIU Qia, ZHOU Liangb

(a.TeamofGraduatestudents;b.DepartmentofFireEngineering,TheArmed
PoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The paper introduces the research progress in heat radiation attenuation of four kinds of water systems--water sprinkler system, drencher system, water spray system and water mist system. Among them, water sprinkler system has the lowest efficiency in heat radiation attenuation, only 5%～20%. The efficiency of drencher system in heat radiation attenuation is generally around 50%. The efficiency of water spray system and water mist system in heat radiation is higher; which can reach 70%～80%. Droplet size and volumetric droplet concentration are the decisive factors to determine the efficiency of heat radiation attenuation.

water system; heat radiation; attenuation efficiency; droplet size; volumetric droplet concentration

2016-07-06

刘琦(1992— )，男，山东济南人，安全科学与工程专业在读硕士研究生； 周亮(1979— )，女，湖北恩施人，副教授。

TQ569;D631.6

A

1008-2077(2017)02-0010-05